博鱼体育冶金自动化研究设计院硕士研究生论文自动跟踪太阳光的采光照明系统ＳｕｎｌｉｇｈｔＩｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍＡｕｔｏｍａｔｉｃＳｏｌａｒ－ｔｒａｃｋｉｎｇ专业名称：研究方向：学生姓名：指导教师姓名：申请学位级别：论文提交日期：检测技术与自动化装置太阳能自动跟踪党红文教授级高工邱忠义高级工程师硕士２０１原创性声明本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。作者签名：笪董基日期：垫竖：至堕关于学位论文使用授权的说明本人完全了解冶金自动化研究设计院有关保留、使用学位论文的规定，即：自动化院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅，可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后遵守此规定）作者签名：导师签名：日期：兰！旦：《：丝日期：型！！：墨：！罗摘要太阳能具有绿色环保、可持续利用等优点，在解决传统能源危机中，太阳能利用是各国竞相开发和研究的热点。照明能耗是建筑能耗较多的一项，占建筑能耗的３０％左右。如果能将外界清洁、健康的太阳光线引入到室内阴暗的地方，不仅能大大减少照明能耗，而且让人足不出户就能沐浴在纯净天然的阳光之下，无疑对人们身心健康都有好处。研究表明，对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接受率相差３７．７％，因此采用太阳跟踪控制系统来提高太阳光照明系统的效率成为人们研究的热点。欧盟已将近十年太阳能供暖研究和发展预算的８５％转向了日光照明技术的研究，但是我国在这方面的研究还处于起步阶段。本文是在对目前国内外太阳跟踪器原理研究的基础上，开发了一套跟踪太阳光的采光照明系统，该系统按太阳高度角和方位角分别控制调节控制系统跟踪轴，采用ＰＬＣ计算发出脉冲，控制步进电机的转动角度，实现对太阳的自动跟踪。论文基于太阳位置计算模型，采用矢量分析法建立了视日运动轨迹跟踪方式双轴太阳跟踪运动控制方程，分析了其运动特性，对间歇跟踪控制方法进行了系统的理论研究和仿真。系统硬件方面，主要选用西门子公司７－２００系列ＰＬＣ作为核心，选用两台８６ＢＹＧ２５０ＧＳ型步进电机及ＳＤ２０８０６步进电机驱动器。系统软件方面，在ＳＴＥＰ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２编程软件平台上完成了系统的主程序模块、太阳角度计算模块、步进电机脉冲控制模块以及其他相关功能模块的软件设计工作。最后，对软硬件进行调试，实现了最初的设计构想，证实本文设计的跟踪控制系统的研究思路、控制方法、软硬件设计均是确实可行的。系统具有结构简单、运行平稳、跟踪精度高、稳定性高等特点。关键词：采光照明系统；自动跟踪；高度角；方位角：ＰＬＣ；步进电机ＡｂｓｔｒａｃｔＡｂｓｔｒａｃｔＡｓｒｅｎｅｗａｂｌｅｅｎｅｒｇｙ，ｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｈａｓｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｅｎｅｒｇｙｃｒｉｓｉｓ，ｍａｎｙｃｏｕｎｔｒｉｅｓｆｏｃｕｓｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｍｏｓｔｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｗｈｉｃｈａｃｃｏｕｎｔｓａｂｏｕｔ３０％ｏｆｔｏｔａｌｂｕｉｌｄｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ．Ｓｏｗｅｃａｎｔｒａｎｓｍｉｔｓｕｎｌｉｇｈｔｄａｒｋｐｌａｃｅ，ｉｔｏｎｌｙｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎａｌｓｏｂｅｎｅｆｉｔｐｅｏｐｌｅ’ＳｐｈｙｓｉｃａｌｍｅｎｔａｌｈｅａｌｔｈａｓｐｅｏｐｌｅａｂｌｅｔＯｅｎｊｏｙｎａｔｕｒａｌｓｕｎｌｉｇｈｔｗｉｔｈｏｕｔｇｏｉｎｇｏｕｔｓｉｄｅ，Ｓｔｕｄｉｅｓｈａｖｅｓｈｏｗｎｅｎｅｒｇｙａｃｃｅｐｔａｎｃｅｒａｔｅｓｏｌａｒｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂｅｔｗｅｅｎｔｒａｃｋｉｎｇｎｏｎ－ｔｒａｃｋｉｎｇｍｏｄｓｕｎｌｉｇｈｔ’Ｓｍｏｖｅｍｅｎｔ３７．７％．ＥＵｈａｓｔｕｒｎｅｄ８５％ｏｆｎｅａｒｌｙｔｅｎｙｅａｒｓｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｇＯｌｌｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｈｅａｔｉｎｇｓｕｎｌｉｇｈｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｒｅｓｅａｒｃｈ．ＢｕｔｏｕｒＣｈｉｎａ，ｉｔ’ＳｊｕｓｔｂｅｇｉｎｎｉｎｇＢｙａｎａｌｙｚｉｎｇｓｏｌａｒ－ｔｒａｃｋｉｎｇｄｅｖｉｃｅｓｏｖｅｒｓｅｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓａｓｅｔｓｕｎｌｉｇｈｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｏｌａｒ—ｔｒａｃｋｉｎｇ．Ｔｈｅｓｙｓｔｅｍａｄｊｕｓｔｓｔｒａｃｋｉｎｇａｘｉｓｓｅｐａｒａｔｅｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｓｏｌａｒｅｌｅｖａｔｉｏｎａｎｇｌｅａｚｉｍｕｔｈａｎｇｌｅ，ｔｈｅＰＬＣｅｖａｌｕａｔｅｓｒｏｔａｔｉｏｎａｎｇｌｅｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒａｎｄａｕｔｏｍａｔｉｃｓｏｌａｒ－ｔｒａｃｋｉｎｇＢａｓｅｄｓｏｌａｒｐｏｓｉｔｉｏｎｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌｍｏｄｅｌ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｈａｓｓｅｔｕｐｔｗｏ．ａｘｉｓｓｏｌａｒ－ｔｒａｃｋｉｎｇｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｅｑｕａｔｉｏｎＳｕｎｍｏｖｉｎｇｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｔｒａｃｋｉｎｇｖｅｃｔｏｒａｎａｌｙｓｉｓ，ｍｏｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｙｓｔｅｍａｔｉｃｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｔｅｒｍｉｔｔｅｎｔｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄ．ＴｈｅｈａｒｄｗａｒｅｐａｒｔｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｈａｖｅｃｈｏｓｅｎＳ７－２００ｓｅｒｉｅｓＰＬＣｃｏｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｔｗｏ８６ＢＹＧ２５０ＤＳｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒＳＤ２０８０６ｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｄｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｐａｒｔｓｙｓｔｅｍｉｔｈａｓｃｏｍｐｌｅｔｅｄｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｗｏｒｋｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｓｍａｉｎｐｒｏｇｒａｍｍｏｄｕｌｅ，ｓｏｌａｒａｎｇｌｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｕｌｅａｎｄｓｔｅｐｐｅｒｍｏｔｏｒｐｕｌｓｅｌｔＡｂｓｔｒａｃｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｏｔｈｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｍｏｄｕｌｅｓｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄＳＴＥＰ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２ｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｓｏｆｔｗａｒｅｐｌａｔｆｏｒｍＦｉｎａｌｌｙ，１ｄｅｂｕｇｓｏｆｔｗａｒｅｏｒｉｇｉｎａｌｄｅｓｉｇｎｃｏｎｃｅｐｔ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｒｅｓｅａｒｃｈｔｈｏｕｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｓｏｔｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎｔｒａｃｋｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｐａｐｅｒｈａｓｄｅｓｉｇｎｅｄｉｎｄｅｅｄｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍｈａｓａｓｉｍｐｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｔ ｒｕｎｓ ｓｍｏｏｔｈｌｙ，ｔｈｅ ｔｒａｃｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｈｉｇｈ，ｔｈｅｓｔａｂｉｌｉｔｙ ＳＯ０１１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｕｎｌｉｇｈｔ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ；ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ；ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ；ＰＬＣ；ｓｔｅｐｐｅｒ ｍｏｔｏｒ １１１ 目录 目录 摘要……………………………………………………………．．ｉＡｂｓｔｒａｃｔ．．．．．．．．．…．．．．．…．．．．．．．．．．．．．．．．…．．．．．．．．．…．．．．．．．…．．．．．ｉｉ 第１章绪论………………………………………………………．１ １．１课题背景………………………………………………………１ １．１．１太阳能的特点………………………………………………２ １．１．２太阳能利用基本方式…………………………………………２ １．１．３我国太阳能资源及利用情况……………………………………５ １．２课题的研究意义…………………………………………………．５ １．３国内外的研究现状………………………………………………．．７ １．３．１国内现状…………………………………………………．７ １．３．２国外现状…………………………………………………．７ １．４目前主要存在的问题……………………………………………．．１０ １．５课题的主要研究内容……………………………………………．．１１ １．６本章小结……………………………………………………．．１２ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究…………………………………．１３ ２．１系统跟踪方式的选择……………………………………………．．１３ ２．２实现太阳跟踪的理论基础…………………………………………．１４ ２．２．１太阳位置…………………………………………………１４ ２．２．２视日运动轨迹跟踪控制方程…………………………………．．１５ ２．３自动跟踪系统运动特性分析………………………………………．．２０ ２．４自动跟踪系统间歇跟踪方法的选择…………………………………．．２４ ２．４．１间歇跟踪控制方法的建立……………………………………．２４ ２．４．２间歇跟踪控制规律的仿真……………………………………．２５ ２．５本章小结……………………………………………………．．３２ 第３章跟踪系统机构设计……………………………………………．３３ ３．１执行机构的设计…………………………………………………３３ ３．２执行元件的选用…………………………………………………３７ ３．２．１步迸电机及其驱动器………………………………………．．３７ ３．２．２步进电机运行参数的设计……………………………………．４０ ３．２．３转矩的校核………………………………………………．４３ ３．３本章小结……………………………………………………．．４５ 第４章自动跟踪控制系统硬件设计……………………………………．．４６ ４．１步进电机控制策略………………………………………………．４６ ４．１．１几种步进电机控制方案比较…………………………………．．４６ ４．１．２运动控制系统的组成………………………………………．．４７ ４．２可编程逻辑ＰＬＣ……………………………………………．４８ ４．２．１ ＰＬＣ的介绍………………………………………………４８ ４．２．２ ＰＬＣ的工作原理…………………………………………．．４９ 目录 ４．３硬件连接与通讯…………………………………………………５０ ４．４本章小结……………………………………．………．．……．．５１ 第５章自动跟踪控制系统软件设计…………………………………．…．５２ ５．１ Ｓｔｅｐ７一Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２软件编程平台…………………………………．．５２ ５．１．１ Ｓｔｅｐ７一Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２软件简介…………………………………５２ ５．１．２ Ｓｔｅｐ７－Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２与７－２００之间通讯…………．．……………．５２ ５．２自动跟踪控制系统程序的设计………………………………………５３ ５．２．１自动跟踪主程序……………………………………………５３ ５．２．２太阳高度角和方位角计算子程序………………………………．５５ ５．２．３步进电机脉冲计算…………………………………………．５６ ５．３本章小结………………………………………………………５７ 第６章系统的调试和结果……………………………………………．５８ ６．１系统的整体连接…………………………………………………５８ ６．２系统调试和调试结果……………………………………………．．５９ ６．２．１系统调试准备工作…………………………………………．５９ ６．２．２系统调试结果……………………………………………．．６１ ６．３本章小结……………………………………………………．．６４ 第７章总结和展望…………………………………………………．６５ 参考文献…………………………………………………………６７ 致谢……………………………………………………………．６９ 在学期间发表的学术论文……………………………………………．．７０ １１ 第ｌ章绪论 １．１课题背景 第１章绪论 １．１．１太阳能的特点 能源问题关系到经济是否能够可持续发展，现在人类主要使用煤炭、天然气、石 油等化石能源，这些化石能源储量有限，而且还是一次性、不可再生能源。据世界有 关权威机构的统计，已探明的世界石油储量约为１１８０—１５１０亿吨，以目前世界年石 油的消费量约为３３．２亿吨计算，世界石油储量约在２０５０年告罄；已探明的天然气储 量约为１３１８００．１５２９００兆立方米，以现在的天然气的年消费量２３００兆立方米计算， 世界天然气储量将在２０７０年耗尽；已探明的世界煤炭储量约为５６００亿吨，以现在的 煤炭消费量３３亿吨计算，世界煤炭储量将在２１５０年枯竭１１１。随着石油等化石燃料的 日益枯竭，人类社会面临着严重的能源危机。不仅如此，燃烧煤炭等化石能源将会不 仅释放例如Ｓ０２等有毒气体，会严重污染大气环境，形成酸雨，而且产生大量的Ｃ０２， 形成“温室效应”，极大地破坏地球的人类赖以生存的自然生态环境，严重威胁到人 类的生存问题【２１。所以寻找清洁的、可再生的新能源是一项刻不容缓的任务。于是人 们将目光转向了水电、核能、太阳能等清洁无污染的可再生能源，在众多可再生清洁 能源中，太阳能就是理想的替代能源，其主要有以下优点【３１【４】： 储量的“无限性”。太阳能每秒钟放射的能量大约为１６１０２３ＫＷ，一年内到 达地球表面的太阳总能量折合标准煤共约１８９２ Ｘ１０１３千亿吨，是目前世界主要能源 探明储量的一万倍。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之 不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最 有效途径。 存在的普遍性。虽然由于纬度的不同、气候的差异造成了太阳能辐射的不均匀， 但相对能源来说，对于地球上绝大多数地区而言，太阳能具有存在的普遍性，可 就地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 利用的清洁性。太阳能像风能、潮汐能等清洁能源一样，其开发利用时几乎不 产生任何污染，是人类理想的替代能源。 利用的经济性。可从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽、 第１章绪论用之不竭，而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技 术发展水平下，有些太阳能利用已具有经济性。随着科技的发展以及人类开发利用太 阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 太阳能虽然具有上面所说的许多优点，并且其中有些优点还是它特有的。但是它 也不可避免地存在一些缺点，致使它未能迅速的大面积推广应用。其主要有以下缺点 强度弱。虽然到达地球大气上界和到达地球表面的太阳能总量都十分巨大，但它的强度却是相当弱的。也就是说，在单位时间内投射到单位面积上的太阳能是相当 少的。从到达地球上界的太阳能来说，太阳常数的值就表明了这个强度的大小。即在 地球大气层外每平方米垂直于太阳光线的面积上按收到的太阳辐射功率只有１３５３瓦， 而垂直投射到地球表面每平方米面积上的太阳辐射功率就只有１３５３ Ｘ４７％＝６４０瓦。 太阳能的另一个弱点就是它的不稳定性。同一个地点在同一天内，日出和日落 时的太阳辐射强度远远不如正午前后。而在同一个地点的不同季节里，冬季的太阳辐 射强度显然又远远比不上夏季。一个原因是，由于太阳的高度角不同，因此对同一个 水平面的入射角自然不同。而在单位水平面上所接收到的太阳辐射能，除了与太阳辐 射强度本身成正比外，还与太阳高度角的正弦成正比，或者说与太阳辐射的入射角的 余弦成正比。显然，当太阳高度角越大，或者说太阳辐射入射角越小，也就是说越接 近于正射时，地面上同一水平面内所接收到的太阳能就越多。 间歇性。到达地面的太阳直接辐射能，随昼夜交替的变化。这就使大多数太阳 能设备在夜间无法工作。为克服夜间没有太阳直接辐射、散射辐射也很微弱所造成的 困难，就需要研究和配备储能设备，以便在晴天时能把太阳能收集并存储起来，供夜 晚或阴雨天使用。 １．１．２太阳能利用基本方式 太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量源泉，人类直接利用太阳能，已有上千 年的历史，其利用的途径主要有以下几种【６】【刀： 光热转换。它是靠吸收太阳辐射的光能直接转换为热能的。这种途径虽最古老， 但发展的最成熟、普及性最广、工业化程度很高。光热转换提供的热能一般温度都较 低，小于或等于１００。Ｃ。较高一些的也只有几百摄氏度。显然它的能源品位较低，适 第１章绪论合于直接利用。 光电转换。将太阳辐射的光能根据“光电转换”原理把光能变成电能再加以利 用，常称“光伏转换”。这是近几十年才发明和发展起来的。由于电能的位品相当高， 所以它的应用领域最宽、范围最广、工业化程度最高、发展最快且前景十分乐观。 光化学转换。通过光化学作用转换成电能或制氢。它也是利用太阳能的一个途 径。二三十年前有不少人对此做了许多研究。近来报道不多，目前仍处于研究、开发 阶段。 光生物转换。通过光合作用收集与储存太阳能。近来在这方面的研究有所增加， 人们期盼出现突破性的进展。 １．１．３我国太阳能资源及利用情况 中国地处北半球，幅员辽阔，绝大部分地区位于北纬４５。以南。中国拥有丰富的太 阳辐射能资源，在大约９６０万平方千米的国土上，太阳能的年辐射总量超过 １６．３ Ｘ１０２ＫＷ－ｈ／ｍ２ ａ；约相当于１．２１０４亿吨标准煤。全国年日照小时数在２０００ｈ 以上。太阳能年辐射总量超过１６．３ Ｘ１０２ＫＷ ｈ／ｍ２－ａ的地区，约占全国总面积ｔ拘２／３。 各个地区全年总辐射量的分布大体上在９３０～２３３０ＫＷ ｈ／ｍ２ ａ之间。但由于受地理 纬度和气候等的限制，各地分布不均。中国太阳能辐射主要特点： 西部高于东部。西部地区太阳能年辐射量范围在（１６．３—２３．３）１０２ＫＷ ｈ／ｍ２ ａＺ间，东部地区为（９．３—１８．６）Ｘ １０２ＫＷ－ｈ／ｍ 北方高于南方。北方太阳能年总辐射量范围在（１４—１８．６）Ｘ１０２ＫＷ ｈ／ｍ２－ａＺ 间，南方在（９．３—１４）１０２ＫＷ－ｈ／ｍ２ ａ２＿间。 为了更好地利用太阳能，根据各地年辐射总量和日照时数及不同的条件等，全国 划分为５个等级和７个区域，如表１．１和１．２所示 第１章绪论 表１．１太阳辐射能的五个等级 等级 ｌ２３４５日照时数 ３２００—３３００ ３０００—３２００ ２２００～３０００ １４００～２２００ １０００～１４００ ｈ年太阳辐射总量 ６７００～８３７０ ５８６０—６７００ Ｓ０２０～５８６０ ４１９０—５０２０ ３３５０～４１９０ Ｍｌ／ｍ２－ａ 年太阳辐射总量 １８６０～２３２０ １６２０～１８６０ １４００～１６２０ １１６０—１４００ ９３０一１１６０ ＫＷ ｈ／ｍ２ 表１．２全国七个区域年辐射总量 区域 范围 利用太阳能条件 ＫＷ－ｈ／ｍ２ 冬季长４、５个月，气温低，辐射强度低，云东北 东北三省 １４００～１５１０ 量少、晴天多，年日照时数在２４００ｈ／ａ以上 寒冷期较东北区短，约１００天左右，气温、辐 华北区 华北平原 １５００—１６３０ 射强度较东北区高，云量少，晴天多，年日照 时数达２６００－２８００ｈ／ａ以上 黄土丘 冬季长达３、５个月，但地势高，太阳辐射强 内蒙古高原 １５１０一１７５０ 度大，年日照时数２６００～３２００ｈ／ａ，利用太阳 能的条件比华北区好新疆、甘南、 气候干旱，云量少，年日照时数达３２００ｈ／ａ以 西北干 西北、宁北、 １６３０—１８６０ 上，冬季气温低，昼夜温差大，风速大，风沙 旱区 大。大气透明度有时较差 内蒙西 北纬３８‘以南 气温高，但云量大，阴雨天多，年日照时数较 南方区 包括海南 １６１０—１４００ 少，一般在２２００ｈ／ａ，太阳辐照强度大，但总 量不大 四川、贵州、 云量大，阴雨天多，日照时数在ｌｌＯＯｈ／ａ以上， 西南区 ９３０～１１６０ 是我国利用太阳能条件最差的地区，但川西有 云南 些地方条件也很好 青藏 海拔高，大气清洁稀薄，太阳年辐射量很高， 青藏高原 １８６０以上 日照时数２８００－３２００ｈ／ａ，太阳能利用条件优 高原 第１章绪论表１．１中的４级和５级、区域表１．２中的西南区，属于太阳能资源匮乏区，这里年 日照数小于１８００ｈ，年日照百分率小于４０％，年辐射总量不足１３９５ＫＷ－ｈ／ｍ２ 有些污染较严重的城镇。如川西地区、ＪｆＩ、贵、桂、赣部分地区，太阳能应用的成本相对要高很多，其经济性应充分考虑。 １．２课题的研究意义 照明能耗是建筑能耗较多的一项【８】，发达国家的建筑能耗占总能耗的３０％一５０％， 其中照明能耗又占商业建筑能好的３０％－６０％。我国发达地区的建筑能耗平均约占总能 耗的２０％一３０％，其中照明占建筑能耗的３０％左右，空调占建筑能耗的４０％左右，是商 业建筑日常运行成本中最大的一部分阳３。由于土地资源紧张的问题，现在很多建筑的 一侧处在背阴面，室内光线阴暗，所以即使是白天，很多建筑的房间仍然采用人工照 明的方式。因此国内外有些专家提出可以采集充足的太阳光进行照明，并称之为太阳 光照明系统。如图１．１和图１．２所示，是太阳光照明系统的两个应用实例。 图１．１自然采光照明系统 第ｌ章绪论 图１．２光纤传输太阳光照明系统 太阳光照明系统，就是太阳光采集系统集中采集户外的大自然的太阳光，把清洁 健康的阳光均匀地导入室内的任何需要光线的角落，代替白天的电力照明，不仅实现 了节能环保的目的，而且足不出户，便能充分地沐浴阳光。采集太阳光照明系统可以 广泛地应用于很多场合，包括： １、地下室、停车场、大型的仓库等地下基础设施的照明。 ２、火药库、大型油库、巨型天然气罐等易燃、易爆等危险场合。 ３、在住宅中把纯自然的太阳光引入到室内，使人足不出户就可以享受到大自然 阳光的沐浴，尤其适宜于行动不便的老人和病人。 这一系统的效率和电灯一样，可以在室内提供与电灯一样的亮度，能节省８０％ 的能源。但是这种照明系统并没有得到真正的推广，其原因主要是目前该系统运行不 太稳定，太阳光的利用率较低，成本较高，就目前的太阳光照明系统而言，如何最大 限度的提高太阳光的利用率，降低产品的成本，仍为国内外学者的研究热点。解决这 一问题应从两个方面入手，一是提高太阳光的接受率，二是提高太阳光的传输效率。 采集太阳光的照明系统就是为了解决这两方面的问题而提出来的。提高太阳光的接受 率就是要使太阳光始终保持与太阳光接收装置在最佳入射角度，本课题研究的是一种 第１章绪论全自动跟踪太阳光的采光照明装置，该系统主要功能是在不同时间、地点能够自动控 制反光镜转动，使室内最大限度接收到太阳光，即通过跟踪太阳光入射方向来提高采 光效率。对于传输效率的问题，以前主要使用导光管传光，但是光线在导光管传输， 光线的损耗会很大，现在主要采用光纤束和光缆进行传光，这样光线的损耗降低，可 以适合于较远距离的传输。 １．３国内外的研究现状 １．３．１国内现状 中国的太阳能采光或照明技术，过去虽然也有研究，但几起几落进展缓慢。我国 政府于１９９６年５月启动的“绿色照明工程”至今仅限于在中西部等地区推广太阳能 光伏发电照明。对太阳能的研究主要着眼于热利用，尚未将太阳光室内采集列入议事 日程。２０世纪９０年代初，沈阳建筑工程学院曾经进行过光导采光系统的研制。该实 验装置采用四块直径为２００ｍｍ凸透镜聚焦太阳光，焦点处安装玻璃光纤传导光束， 传输距离ｌＯｍ以内，距离光纤端头ｌｍ时照度相当４９Ｗ的白炽灯，效率低，距实用还 有很长的距离。中国科学院南京天文仪器研究中心也做过这方面探讨，但装置不实用， 难以推广。加速中国太阳能采光或照明的发展，己引起中国政府高度重视。张耀明院 士１９９９年１１月获江苏省科技厅支持，立项进行全自动跟踪太阳的采光装置研究。至 今已申请９项中国发明专利，获４项实用新型专利授权；申请一项美国专利，已得到 授权确认；申请１项ＰＣＴ国际专利，已获肯定并发布公告。其中“自动跟踪采光器” 一项专利在２００１年香港国际专利技术博览会上获金牌奖。２００１年１１月该项目顺利 通过江苏省科技厅组织的鉴定，认为全自动跟踪太阳的采光装置的主要性能指标居国 外同类产品先进水平，在性能价格比方面处于国际领先水平【１０】。 １．３．２国外现状 日本是世界上开展采集太阳光用于室内照明研发活动最为活跃的国家之一，１９７９ 年８月Ｌａ Ｆｏｒｅｔ工程公司推出第一台采集太阳光的照明系统“向日葵”，这台采光器 的主要部件是菲涅尔透镜、太阳跟踪装置和光缆，另配照明灯具及供夜间和阴雨天使 用的人工照明光源装置。太阳跟踪装置包括跟踪传感器、内藏式微电脑和双轴 电机传动机构，控制程序中设有计时功能，可根据年、月、日、时确定太阳的位置， 第１章绪论 使透镜面向太阳；其控制程序是以地理位置为依据设计的，因此在日本本土以外使用 时需预先对控制程序进行修正。光缆是采用石英光纤，最长不超过２０ｍｎ订ｍ３。 图１．３日本向日葵阳光照明装置 美国对采集太阳光用于照明的研究始于２０世纪９０年代中期。１９９５年前后，美国 能源部橡树岭国家实验室（Ｏａｋ ＲｉｄｇｅＮａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）发明了组合太阳光照明系 统。所谓组合照明，即以太阳光照明为主，不足部分用电照明补充。此项研究工作获 得能源部和联邦资金（美国政府专用资金）的支持。《工业周刊》杂志将组合照明选 为１９９８年度２５项尖端技术之一。目前有８家公司和８所大学及科研院所组成协作组 进行联合研发【１３】。 美国斯蒂温 温特联合公司（Ｓｔｅｖｅｎ Ｗｉｎｔｅｒ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎｓ）的光纤日光照明技术被列 为１９９８年美国１００项重大科研成果中的第５４项，原来预计２００１年产品面世，但至 今未能如愿。 美国的研发时间滞后于日本，但在美国政府（主要是能源部）的大力支持和企业、 院校、科研机构等通力合作下，发展迅速【１４】。 第１章绪论 图１．４美国橡树岭阳光照明装置 欧盟将近１０年太阳能供暖研究和发展预算的８５％转向日光照明技术研究。瑞士日 光巴士（ＨｅｌｉｏｂｕＳ）公司和俄罗斯Ａｉｚｅｎｂｅｒｇ教授合作开发太阳光室内照明系统，该系统 由定日镜（一种异形凹面镜）采集太阳光，通过棱镜光管（美国３Ｍ公司提供）将太 阳光传入室内。１９９７年该系统获欧洲环保技术交易会颁发的欧洲环境奖‘”】。 图１．５瑞士与俄罗斯共同开发的照明系统 １９９８年１月至２００１年２月由德国、意大利、瑞典的建筑师和研究人员共同完成 了太阳光和硫灯组合照明系统的研究，简称人造日光（Ａｒｔｈｅｌｉｏ）。它是由定日镜、耦合 第１章绪论系统、硫灯、电子控制部件、光导管等几部分构成。定日镜是透镜，由德国Ｓｅｍｐｅｒｌｕｘ 公司研制，装在屋顶跟踪太阳。在得不到足够太阳光时，光源自动切换为１０００Ｗ硫 灯【１６１。 图１．６人造日光（Ａｘｔｈｃｌｉｏ） 尽管太阳光照明技术蓬勃发展，但是仍然存在不少的技术问题，主要问题如下： ｌ、太阳光照明技术的一个关键问题就是如何定位太阳的位置。现在广泛的太阳定 位技术一般采用光电传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪这两种方法。 光电传感器跟踪工作原理是照射光电传感器的一些电气属性与太阳光强度有关， 所以可以根据光电传感器的这些电气属性来寻找光强最强的角度，常用的光电传感器 的材料有光电二极管、光电池、光敏电阻，还有最近得到广泛应用的精确定位ＰＳＤ （Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｖｉｃｅ，光电位置传感器）。光电传感器跟踪方式的好处是电路结 构简单，不需要复杂的算法，闭合回路控制，但是缺点就是精度不高，模拟量没有量 化，同时电机要频繁左右上下转动，大大缩短了电机的使用寿命【１７】。 视日运动轨迹跟踪的工作原理是处理器在得到跟踪地理位置和日期、时间数据信 息，利用已知的天文算法公式，实时算出太阳的高度角和方位角，从而准确定位太阳 的位置。这种方式好处是成本低廉、应用简单、对步进电机的控制实现了数字化，缺 第１章绪论 点是角度累积误差会越来越大，而且是开环控制，对跟踪误差无法实现自动校准‘１８】。 ２、传光系统主要采用导光管，这种导光管在光的传递过程中，光的损耗巨大， 传光效率低【１９】。 ３、没有过滤和清除掉阳光中的例如紫外线、Ｙ射线等有害光线成分，导入的太阳 光含对有害的成份‘２０１。 １．５课题的主要研究内容 １、第一章绪论部分主要介绍了太阳能特点和应用、太阳光室内照明的主要意义 和国内外的研究现状以及存在的主要问题。 ２、第二章在理论上通过建立太阳位置几何模型确定太阳位置的表示方法，研究 太阳跟踪规律与控制方法，通过建立双轴跟踪运动控制方程，分析其运动特性，提出 间歇跟踪控制方法，并对不同的等待时间跟踪方案的误差进行仿真，为实际应用提供 了理论依据。 ３、第三章从跟踪系统的原理出发，设计了双轴跟踪机构，满足其功能要求。按 照实际的尺寸和材料，利用三维建模软件，模拟计算负载。按照理论计算的负载和执 行元件参数，设计步进电机运行参数，使步迸电机能够驱动负载的情况下，具有平稳、 精度高的特点。 ４、第四章提出了“ＰＣ＋ＰＬＣ”的步进电机控制策略，分析了太阳跟踪运动控制 系统的硬件组成、安装、连接，并对其相关工作原理、实现功能以及各元件之间的通 讯加以说明。 ５、第五章以运动控制策略为依据，以Ｓｔｅｐ７．Ｍｉｃｒｏ／ＷＩＮ３２为开发平台，设计了 自动跟踪系统的主程序模块、太阳天文角度计算模块和步迸电机脉冲控制模块以及其 他相关功能模块的软件编程。 ６、第六章主要介绍软件和硬件部分的调试过程及其需要注意的问题，经过对各 项要求的测试和联调，验证了本文设计的软件部分计算精度较好，且能够实现软硬的 联调，完成设计所要求的功能。 第ｌ章绪论 １．６本章小结 本章讨论了利用太阳能的优势、所面临的问题、太阳能基本利用方式、我国太阳 能资源状况、课题的意义和主要研究内容。 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 ２．１系统跟踪方式的选择 太阳每时每刻都在运动着，要想充分利用太阳光，必须跟踪太阳。香港大学建筑 系的ＫＰＣｈｅｕｎｇ和ＳＣＭＨｕｉ教授研究了太阳照射角度和太阳能接收率的关系，理论分 析表明：对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差３７．７％。实 现跟踪太阳的方法多采用如下两种方式：光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。两种方式各 有优缺点，应用于不同的照明系统中。 本文研究的是自动跟踪太阳光的采光照明系统，如图２．１所示。其主要实现的功 能是将太阳光直接反射到天井中，使更多阴暗区域能够照射到自然光，由于该系统不 需要将光线汇聚到光纤或光导管中传播，是一种大范围的太阳光线跟踪，因此采用视 日运动轨迹跟踪方式。 图２．１采光照明系统示意图 １３ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 ２．２实现太阳跟踪的理论基础 ２．２．１太阳位置 太阳在天空的位置时刻发生着变化，要实现太阳光线最大化的采集，我们需要 时刻锁定太阳的位置，控制机械跟踪装置像“向日葵”一样时刻对准太阳，使导入室 内的光照度最强。 太阳的视位置是从地面上看到太阳的位置，太阳的高度角和方位角作为二维坐标 共同确定太阳的位置，对于地球上的某个地点，太阳的高度角是指太阳光的入射方向 和地平面之间的夹角，或者太阳的直射光线与它在水平面上的投影之间的夹角１２１］。太 阳刚升起的时候，太阳高度角为０。；中午１２点的时刻太阳高度角最大；太阳落山的 时刻，太阳高度角为０。。高度角的变化范围是０。一９０。。如图２．２所示： 图２．２太阳高度角的描述图 太阳的方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的 夹角，可近似看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角１２２］博鱼体育。方位角 以正南方向为０．，正东方向为一９０。，正西方向为９０。，自东向西方位角逐渐增大。上 午时刻太阳的方位角为负；中午１２时，太阳的方位角为０。；下午方位角为正，变化 范围是一１２０。一１２０。。方位角的描述如图２．３所示： １４ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 北１８００ ／奔ｅ１３５。／ ＼／‘图２．３太阳方位角的描述图因此任意时刻，只要确定了太阳的方位角和高度角，就可以锁定太阳的位置了。 ２．２．２视日运动轨迹跟踪控制方程 传统的太阳运行轨迹的计算，主要通过球面三角几何法求得‘２３１。本文采用矢量分 析法博鱼体育，通过建立分析太阳运行轨迹的地平坐标系和时角坐标系以及分析跟踪系统运动 规律的跟踪坐标系，通过坐标系间的变换建立了视日运动轨迹跟踪控制方程。 图２．４太阳位置计算几何学模型 １５ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 图２．４为太阳位置计算几何模型，图中Ａ＠Ｚ－Ｏ为以太阳跟踪系统所在地为原点建 立的地平坐标系，ｉ、ｉ、１ｉｆ分别表示指向正上方（ｚ方向）、正南方（ｘ方向）、正东 方（Ｙ方向）的单位矢量，单位矢量圣表示照射到太阳光线自动跟踪系统所在地的光 线得知，圣可以表示为：、 Ｓ＝ｓｉｎ仅ｌ＋ＣＯＳ仅ｃｏｓｙ ｌ—ＣＯＳ仅ｓｉｎｙ 其中伍表示太阳的高度角，１，表示太阳的方位角，以南点Ｓ为０。，向西为正值，向东为负值。在地平坐标系中，用太阳高度角Ｑ和方位角Ｙ就可以确定太阳在天球中 ：的位置。 图中ｘｙｚ－ｏ为以地心为原点建立的时角坐标系，ｚ轴指向地球极轴北极，Ｘ轴为自 地心指向太阳跟踪系统所在地经线与赤道的交点，轴在赤道平面内，与ｘ、ｚ轴构成 右手标架坐标系，了、７、莨是各方向的坐标矢量。由天文学定理可知‘２４１，单位矢量圣与 赤道平面的夹角６为太阳的赤纬角；圣在赤道平面内的投影与Ｘ轴夹角为时角，天文 学定义从天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。由图２．４在时角坐标系中 圣又可表示： 蓉＝ｓｉｎ６了＋ｃｏｓ８ｃｏｓ（＾）ｊ—ｃｏｓ８ ｓｉｎ（＾）莨 为了便于理解地平坐标系与时角坐标系间的变换关系，可将时角坐标系变换至地平坐标系，使其具有相同的原点，由于地球半径远小于日地间距离，因此该变换并不 会改变任何角度【２５】。地平坐标系与时角坐标系间的变换关系如图２．５所示。 图２．５地平坐标系与时角坐标系间变换 １６ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 由图２．５可以看出，ｉ与ｊ夹角为跟踪系统所在地的纬度角（ｐ，霄与莨重合，ｉ与ｉ的夹 角为９０。一Ｑ，所以地平坐标系与时角坐标系的变换关系可表达为下式： ｃ２—３，由式２－２、２．３可以得出： 圣＝ｃｓｔｎ ６ｃｏｓ ６ｃｏｓ０３一ｃ。ｓ６ ｓｔｎ，ｒｓ。ｉｎ吾ｑ叩）－ｓｃｔ暑ｏｓ叩ｑ’晕】｛至） ＝（ｓｉｎ ６ｓｉｎ（Ｐ＋ｃｏｓ ６ｃｏｓ（＾）ｃｏｓ（ｐ）ｉ＋（一ｓｉｎ ６ｃｏｓ ｑ）＋ｃｏｓ ６ｃｏｓ ｃｏ ｓｉｎ（ｐ）卜 Ｃｏｓ６ ｓｉｎ（＾）霞 由式２－１与式２－４比较得出： ｓｉｎ ０【＝ｓｉｎ ６’ｓｉｎ（ｐ＋ＣＯＳ ６‘ＣＯＳ ６０。ＣＯＳ（Ｐ ＣＯＳ ｓｉｎｃｏ Ｓ１ｎ ＣＯＳ仅式２．５与式２－６即为太阳高度角、方位角的计算公式。 图２．６水平轴旋转角与高度角的关系 一地平面 图２．６是水平轴旋转角与高度角的关系，仅是太阳高度角，０是反射角，因此入射角也是０。设定无论太阳光入射光线如何，其反射光线都是同一个方向，因此当太 １７ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 阳高度角仅变化ａ时，ｏ变ｌｔａａ／ｚ，也就是说水平轴转动旺／２。垂直轴旋转角则直接 跟随方位角的变化，与方位角转过的角度相同。 用Ｂ表示太阳跟踪系统水平轴旋转角，ｐ表示太阳跟踪系统的垂直轴旋转角，则 可得 Ａａ ２Ｔ若假设太阳高度角初始角为％，假设经过ｃ１，高度角变化了１，则此时高度角变为仅ｏ＋仅１，又经过ｃ２，高度僦ＴＡａ２，高度角变为％＋１＋Ａａ２，以此类 推，经过￡ｎ，高度角变化ＴＡａ挖，此时高度角为仅＝％＋ａ１＋Ａａ２＋…＋‰＋…， 假设每次间隔时间相等，且很小，则此高度角值与理想高度角值接近。 同理，假设水平轴旋转角初始角为ｐｏ，经过Ａｔｌ，旋转角变化了ｐ１，即为１， 以此类推，则有 ｐ＝ｐｏ＋ｐ１＋ｐ２＋…＋Ｂｎ＋… １１１＝Ｐｏ＋三ａ１＋ｉ仅２＋…＋云ｃ【ｎ＋… 由于太阳跟踪从每天的日出时刻开始，日出时高度角ｏ为０。，假设调整水平轴旋 转角初始值Ｂｏ＝０。， 则可得到式２．７ 因此，若使太阳反光镜表面Ｑ能够完全跟踪太阳运行轨迹，必须采用双轴太阳跟踪系统，太阳跟踪系统的垂直轴旋转角Ｉ｜Ｄ与太阳方位角运行规律一致，即满足式２－８。 太阳跟踪系统的水平轴旋转角Ｂ应与太阳高度角规律满足如式２．７的关系。 由此可得太阳跟踪系统水平轴旋转角和垂直轴旋转角如式２－９和式２—１０所示。Ｂ＝ｉＩ ｓｉｎ－ｌ（ｓｉｎ （２—１０）由式２－９和２．１０可以看到，跟踪系统两个方向轴的旋转角由跟踪系统安装地理 位置的纬度角叭太阳赤纬角６及时角（＾）决定博鱼体育。 １８ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 由Ｃｏｏｐｅｒ方程【２６］可得每天太阳赤纬角的计算公式如下： ｓｉｎ３６０ ｘ．２８４＋ｎ．）（２－１１）２３．５ ３６０ ｓｉｎ式中，门是按天数顺序排列的积日，例如：１月１日其ｎ＝ｌ，平年１２月３１日其 ｎ＝３６５，闰年ｎ＝３６６，以此类推。 时角ｔａｔ）是一个与时间相关的物理量，可由当地真太阳时求得。由于我们日常所用 的时间计量系统都是一个匀速运行的假想太阳所获得的一种均匀不变的时间单位，称 为平太阳时【２７］，所以由平太阳时求真太阳时需要用一个差值来表达二者的关系，即时 差Ｅ，单位为分钟，如下式所示： ｐｃ（书＋丽Ｅ（２－１２） 其中：ｃ。为当地真太阳时，单位为小时，ｆ为当地平太阳时，即当地时间，单位 为小时，Ｌ，。为制订时区标准时间位置的经度，对我国来说，Ｌ，。＝１２０（北京时间经度）， ￡２０ｃ为跟踪系统安装地的经度，式中“”对于东半球取正，西半球取负。时差昱可 由式２．１３求得： Ｅ＝９．８７ ｓｉｎ ２Ｂ一７．５３ ＣＯＳ Ｂ一１．５ ｓｉｎ Ｂ（２—１３） 其中，Ｂ＝—３６—０（夏ｎｉ－一８１），孔为积日，取值同前述。 太阳每小时转过的经度角为１５。，并规定以太阳正午时刻为０点，顺时针方向（下 午）为正，逆时针方向（上午）为负【２８】，由式２．１２、２．１３可求得以当地时间ｔ计算的 时角，如下式： （１）＝１５（ｔｓ一１２） （２—１４） 将式２．１ｌ、２．１４代入式２．１０，由此可得地平坐标下太阳光线自动跟踪系统运动控制 方程： ｐ＝卢（妒，Ｌｌｏｃ％亡） Ｐ＝ｐ（妒，Ｌ１０。，ｎ （２—１Ｓ）（２—１６） 经过以上对太阳运行规律及太阳光线跟踪系统与在地平坐标下太阳位置之间的 关系可以知道，通过太阳的天文运行规律能够计算得出太阳在运行时对地某点的角度 以及太阳跟踪系统两个方向旋转角度，从而实现对太阳位置的实时定位与跟踪。 １９ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 根据前述计算公式，采用ＧＰＳ定位系统直接获取系统安装地的精确地理位置信 息（３７。２８’１１”Ｎ，１１８。３２’１２”Ｅ），采用ＭＡＴＬＡＢ编程对一年中典型的日期如：夏至日 （６月２１日）、春分日和秋分日（３月２２日和９月２１日）及冬至日（１２月２１日） 分别计算水平轴旋转角和垂直轴旋转角从日出到日落的变化规律【２９】，从而实现对跟踪 系统运动特性的分析。 图２．７为太阳光线自动跟踪系统水平轴转角和垂直轴转角的变化规律。图２．７ａ为 水平轴转角的变化曲线，水平轴转过的角度差是太阳高度角差的一半，实现对太阳高 度角跟踪；水平轴在每天的正午后需要按相反的方向转动，并在夏至日出现最大转动 范围。图２．７ｂ为垂直轴转角的变化曲线，垂直轴按照太阳方位角的变化规律转动实 现对太阳方位角的跟踪。图２．７ｂ可以看出夏至日的方位角变化范围（日出到日落） 为跟踪系统垂直轴在一年中的最大运动范围。由此可以基本确定高度角轴变化范围是 ００一４０。，方位角轴的变化范围为一１００。１００。，从而可以确定该装置在两个方向的极 限位置。 一春分日 ｆ＼秋分日？——冬至日 、ｌｌ、＼ｆ／，：＼＼ｊ、／厂、Ｉｆ～、ｆ＼＼、４６８１０ １２ １４ １６ １８ ２０ ］３ｍｅ（ｈｏｕｒ） ａ水平轴转角变化曲线一。一ｍ一西ｃ《ｃｏ譬仍＞ｏＩ．山 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 １００ ８０ ６０ ４０ 告２０ Ｏ３Ｅ盈珈．４０ －６０ 夏至日／／＼秋分日 ４６石１Ｕ１Ｚ １４ １ｂ ＺＵｌｉｍｅ（ｈｏｕｒ） ｂ垂直轴转角变化曲线地平坐标系双轴跟踪系统跟踪角随时间变化曲线为以水平轴转角和垂直轴转角为坐标轴，系统连续跟踪时理想的轨迹曲线可以看出，跟踪系统的运动控制比价复杂，每天的控制规律都必须变化，且 具有很强的非线性，系统在每年的夏至日运行的轨迹范围最大。 图２．８高度角．方位角轨迹曲线对时间ｔ求一阶导数，就可以获得两个跟踪轴的转速表达式， ２ｌ 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 根据安装地理位置信息，就可以求出一年中的典型日期跟踪轴转速随时间变化曲线所示。由图可以看出，两个跟踪轴的转速相差非常大，水平跟踪轴每天在日出 和日落时转速最大，约６。／ｈ（０．０００２８转／ｍｉｎ），垂直跟踪轴在每天的正午转速最大， 夏至日一天内的转速变化非常大，由最ｄ９．Ｓ。／ｈ（０．０００４４转／ｍｉｎ）变化到最大的 ５８．７６。／ｈ（Ｏ．００２７－转／ｍｉｎ），相差近６倍，而冬至日转速变化很小，可以看作是匀速运 ／、——春分日／＼、——夏至日 、／秋分日 ／＼冬至日 夕９１０１１ １２ １３ １４ １５ Ｔｉｍｅ（ｈｏｕｒ） ａ垂直轴转速 ——春分日 弋、——秋分日 ６８１０１２ １４ １６ １８ ２０ Ｔｉｍｅ（ｈｏｕｒ） ｂ水平轴转速 图２．９地平坐标系自动跟踪系统转速随时间变化曲线一．）可口ｏ西ｕＩ＞ｏ，，ｍ叱ｃｏ霉舟，、ｍ一山第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 由式２．１５、式２．１６对时间ｔ求二阶导数，可以获得两个跟踪轴的角加速度表达 式，根据系统安装地理位置信息，同样可以求出一年中典型日期的跟踪轴角加速度随 时间变化曲线所示。由于实际应用的跟踪系统是一个低转速、大转动惯量 的系统，因此对角加速度的分析可以确定跟踪系统转轴的转矩，为电机功率的确定提 供理论依据。由图可以看出，夏至日两个跟踪轴在正午时角加速度最大。 二多＼、／一夕 ——秋分日／冬至日 ＼ｉ／＼／＼ｆｉ６８１０ １２ １４ １６ １８ ２０ Ｔｉｍｅ（ｈｏｕｒ） 享２０ Ｃｏ薯ｌＯ ｏｏ８０ｏｏ射。 芎．９２０ 望ａ水平轴角加速度 ——春分日 ——秋分日／冬至日 ，ｆ＼一一一 １４１６ １８ ２０ １１ｍｅ（ｈｏｕｒ） ｂ垂直轴角加速度 图２．１０地平坐标系双轴跟踪系统角加速度随时间变化曲线与七一ｃ，．一ｃｏ；＿匕。一ｏｏｏ仃口一西ｃ哪ｃｏ写啊＞ｏ一山 第２章太阳跟踪规律和控制方法的研究 综上所述，双轴太阳跟踪系统的运动规律非常复杂，每天的运动特性变化很大， 要在一个系统中能够高精度控制一年内每天的运动规律，增大了系统运动控制难度。 ２．４自动跟踪系统间歇跟踪方法的选择 通常，太阳跟踪可以采用连续跟踪和间歇跟踪两种基本方法进行太阳跟踪系统的 运动控制。连续跟踪方法为跟踪角按照太阳位置变化规律随时间连续调节以跟随太阳 运行轨迹的变化的控制方法，根据上节跟踪系统运动特性的研究分析可以看出，太阳 跟踪系统两个运动轴的速度非常小，最小速度仅为０．０００２２转／ｍｉｎ，为了避免系统在 超低速运动下出现位置伺服控制的不稳定，系统设计时就需要非常大的减速比；但是 连续跟踪意味着电机在不停的运动，将消耗大量的电能，违背了节能减排的目的，因 此连续跟踪方法不适合用在太阳光线自动跟踪系统。本论文综合考虑跟踪精度和系统 耗能，并使个运动轴的转角与其由于停顿导致落后于太阳运行的方位角和高度角相等， 其余时间系统跟踪角驱动机构固定不动，如此循环，因而形成跟踪系统间歇追踪太阳 的跟踪方法。显然，采用间歇跟踪方法，不仅可以简化系统控制，避免庞大的减速系 统，而且可以减少步进电机的运行次数，增加电机的运行寿命，降低跟踪系统本身的 能耗。我们知道，虽然间歇跟踪方法具有上述优点，但不可避免的要牺牲系统的跟踪 精度。因此，本节将从理论上分析不同间隔时间对跟踪精度的影响，从而确定在使用 要求许可的误差范围内，实现间歇跟踪控制。 ２．４．１间歇跟踪控制方法的建立 如前所述，间歇跟踪方法是跟踪系统每隔一段时间后，运动轴快速调整一次跟踪 角，并使各运动轴的转角与由于跟踪系统静止等待导致落后于太阳运行的方位角和高 度角相等，其余时间系统跟踪角驱动机构固定不动，如此循环形成跟踪系统那个间歇 追踪太阳的跟踪方法。其基本原理如图２．９所示。 ２４